第十三章水體自凈（self-purification）

1、第十三章 水體自凈(selfpurification)1.水體自凈(self-purification of water body) 水體自凈是指受污染的水體由于物理、化學(xué)、生物等方面的作用，使污染物濃度逐漸降低，經(jīng)過一段時間后恢復(fù)到受污染前的狀態(tài)。這一過程即水體自凈。2.水體自凈機(jī)理 物理作用：稀釋、沉淀 （強(qiáng)）化學(xué)作用：氧化、還原等對污染物的降解 （弱）生物作用：生物降解（食物鏈） （強(qiáng)） 廢物、排泄物物理自凈 污染物在水體中混合稀釋和自然沉淀過程?；旌舷♂屩荒芙档退形廴疚锏臐舛龋荒軠p少其總量。沉淀作用指排入水體的污染物中含有的微小懸浮顆粒，如重金屬、蟲卵等由于流速較小逐漸沉到水底?；?/p>

2、學(xué)自凈氧化還原反應(yīng)是化學(xué)凈化的重要作用,溶解氧與水中的污染物將發(fā)生氧化反應(yīng)，生成難溶物而沉降析出。如Fe鹽氧化。 Fe+ Fe3+ Fe(OH)3還原作用: 如Cr6+ 還原為Cr3+ O2生物自凈水中微生物在溶解氧充分的情況下，將一部分有機(jī)污染物當(dāng)作食餌消耗，同時將另一部分有機(jī)污染物氧化分解成無害的簡單無機(jī)物。影響生物自凈作用的關(guān)鍵是：溶解氧的含量和有機(jī)物的性質(zhì)、濃度及微生物的種類、數(shù)量等。水體自凈速度有哪些限制因素？物理？凈水流量、流速、污染物物理性質(zhì)化學(xué)？地域、季節(jié)、天氣生物？生物種類、數(shù)量（營養(yǎng)物濃度、環(huán)境因子）、代謝的極限速度因此水體的自凈速度是有限的。在正常情況下，水體單位時間內(nèi)通

3、過正常生物循環(huán)中能夠同化有機(jī)污染物的最大數(shù)量稱為自凈容量。 在自凈容量范圍內(nèi)水體的凈化是如何進(jìn)行的呢？3.自凈的過程 水體自凈過程大致如下a.污水排入河流的混合過程b.持久污染物的稀釋擴(kuò)散物理作用 有機(jī)污染物排入水體后被水稀釋，有機(jī)和無機(jī)固體沉降到河底；c.非持久污染物的稀釋擴(kuò)散d.水體的氧平衡生物作用 溶氧 溶解氧好氧菌 好氧菌 有機(jī)物降解 厭氧菌 自然溶氧、藻類產(chǎn)氧 污水排入河流的混合過程 (1)豎向混合階段 污染物排入河流后因分子擴(kuò)散、湍流擴(kuò)散和彌散作用逐步向河水中分散，從排放口到深度上達(dá)到濃度分布均勻。 (2)橫向混合階段 當(dāng)深度上達(dá)到濃度分布均勻后，在橫向上還存在混合過程。經(jīng)過一定距

4、離后污染物在整個橫斷面達(dá)到濃度分布均勻。 (3)斷面充分混合后階段 在橫向混合階段后，污染物濃度在橫斷面上處處相等。河水向下游流動的過程中，持久性污染物濃度將不再變化，非持久性污染物濃度將不斷減少。河流污染和自凈過程圖污水自 凈污化系統(tǒng)及其指示生物污化系統(tǒng) (也稱有機(jī)污染系統(tǒng))是根據(jù)水體有機(jī)物污染程度的不同，對水體的一種分類法。當(dāng)有機(jī)污染物排入河流，在其下游河段的自凈過程中，形成一系列污化帶。因各種水生生物需要不同的生存條件，故在各個帶中可找到不同的代表性指示生物，這些指示生物包括細(xì)菌、真菌、藻類、原生動物等微生物，以及輪蟲、浮游甲殼動物、魚類及底棲動物等。根據(jù)指示生物的不同，污化系統(tǒng)中的污化

5、帶分為多污帶、-中污帶、-中污帶和寡污帶。 多污帶（polysaprobic zone）靠近排污點下游，河水深暗、渾濁，含大量有機(jī)物，BOD高，呈缺氧或厭氧狀態(tài)，污染嚴(yán)重。有機(jī)物分解產(chǎn)生H2S、NH3，使河水有異味。水生生物種類極少，以厭氧和兼性厭氧微生物為主，無魚類、顯花植物等。代表性的指示生物是細(xì)菌，且種類多、數(shù)量大，每ml水中可達(dá)幾億個，例如硫酸鹽還原菌與產(chǎn)甲烷菌等，此外還有顫蚯蚓、蚊蠅幼蟲。 中污帶(-mesosaprobic zone) 在多污帶下游，有機(jī)物量略減少，BOD下降，河水依然灰暗，溶解氧低，水面上可有浮沫和浮泥。生物種類增加，細(xì)菌數(shù)減少，但每毫升仍有幾千萬個。代表性的指示

6、生物舉例如下：天藍(lán)喇叭蟲、椎尾水輪蟲、櫛蝦、獨縮蟲、顫藻、小球藻等。 -中污帶（-mesosaprobic zone）光合微生物和綠色浮游生物大量出現(xiàn)，水中溶解氧升高，有機(jī)質(zhì)含量少，BOD很低，懸浮物進(jìn)一步減少，有機(jī)氮已轉(zhuǎn)變?yōu)镹H4+、NO2-和NO3- ，CO2與H2S含量減少。細(xì)菌數(shù)量減少，藻類大量繁殖，輪蟲、甲殼動物和昆蟲增加，生根的植物、魚類出現(xiàn)。代表性生物：藻類的水花束絲藻、變異直鏈硅藻、短棘盤星藻、舟形藻、梭裸藻 ；原生動物的草履蟲、聚縮蟲；微型后生動物的腔輪蟲、水蚤。 寡污帶(oligosaprobic zone)河流自凈作用完成，有機(jī)物完全分解為無機(jī)物，BOD極低，溶解氧恢復(fù)正

7、常，基本不含H2S，CO2含量較低，氮元素全部氧化為NO3-。指示生物：魚腥藍(lán)細(xì)菌 、隔板硅藻 、黃群藻 、玫瑰旋輪蟲及其它藻類，鐘蟲、旋輪蟲、水生植物與魚類等。以上污化系統(tǒng)只能反映有機(jī)污染的程度，不能反映有毒廢水的污染。 有機(jī)物的自凈過程分三階段水體自凈過程的特征4衡量水體污染與自凈的指標(biāo) 提問：用什么指標(biāo)可以衡量河段水體污染與自凈所處的階段?水體外觀、化學(xué)指標(biāo)、溶解氧等山東小清河水體外觀外觀特征：混濁程度、顏色及氣味等原 因：水中細(xì)菌種類數(shù)量、懸浮物種類數(shù)量 污染前 污染 凈化開始 持續(xù) 結(jié)束 外觀:無色 暗灰色 灰色 繼續(xù)變清 無色 澄清透明 很混濁、臭 混濁 濁度下降 澄清透明 水面有

8、泡沫 泡沫減少P/H指數(shù)P:光能自養(yǎng)型生物數(shù)量H:代表異養(yǎng)型微生物數(shù)量P/H指數(shù)就是兩者的比值，P/H指數(shù)反映水體污染和自凈程度BIP指數(shù)BIP =（無葉綠素的微生物數(shù)量）/（全部微生物數(shù)量）H/（P+H）100% 污染前 污染 凈化開始 持續(xù) 結(jié)束P/H： 高 下降 最低點 上升 高BIP： 08 上升 60100 下降 08 溶解于水中的分子態(tài)氧稱為溶解氧，它是水生生物主要的生存條件之一。天然水中溶解氧的含量與大氣壓力、空氣中氧的分壓和水溫等因素密切相關(guān)。大氣壓力減小，溶解氧量也減小。溫度升高，溶解氧量也顯著下降。水中含鹽量增加，也會使溶解氧量降低。表1列出在101.3Kp的大氣壓力下，空

9、氣中氧含量20.9%時，氧在水中的溶解度。溶解氧溫度溶解氧mg/L014.6512.81011.31510.2209.225308.47.6表1 不同溫度下氧在水中的溶解度 污染前 污染 凈化開始 持續(xù) 結(jié)束 溶氧變化： 穩(wěn)定 迅速下降 快速增大 緩慢增大 穩(wěn)定 溶解氧可以用溶解氧測定儀隨時測定并迅速地得出結(jié)果。 在這個過程中，復(fù)氧和耗氧同時進(jìn)行。溶解氧的變化狀況反映了水體中有機(jī)污染物凈化的過程，因而可把溶解氧作為水體自凈的標(biāo)志。溶解氧的變化可用氧垂曲線表示。 5.水體的氧平衡 （氧垂曲線，Oxygen Sag Curve）核心： 有機(jī)物耗氧分解（微生物作用）氧垂曲線作用： 反映河流中耗氧過程

10、和復(fù)氧過程的綜合作用。臨界點：污染最嚴(yán)重的一點。 （臨界點前后為水質(zhì)惡化區(qū)）溶解氧DO的變化情況：當(dāng)耗氧速率 復(fù)氧速率時 溶解氧曲線呈下降趨勢當(dāng)耗氧速率 = 復(fù)氧速率時 溶解氧曲線最低點，即最缺氧點當(dāng)耗氧速率 復(fù)氧速率時 溶解氧曲線呈上升趨勢P 該圖DO曲線反應(yīng)了耗氧和復(fù)氧的協(xié)同作用。 最低點P為最缺氧點。若P點的溶解氧量大于有關(guān)規(guī)定的量，從溶解氧的角度看，說明污水的排放未超過水體的自凈能力。若排入有機(jī)污染物過多，超過水體的自凈能力，則P點低于規(guī)定的最低溶解氧含量（小于3mg/L魚類不能生存），甚至在排放點下的某一段會出現(xiàn)無氧狀態(tài)，此時氧垂曲線中斷，說明水體已經(jīng)污染。在無氧情況下，水中有機(jī)物因

11、厭氧微生物作用進(jìn)行厭氧分解，產(chǎn)生硫化氫、甲烷等，水質(zhì)變壞，腐化發(fā)臭。三個地段中氮元素的形態(tài)如何變化？根據(jù)：硝化細(xì)菌（耗氧）、反硝化細(xì)菌（無氧）的特點污染帶：氨高，無亞硝酸和硝酸根離子(厭氧反硝化)恢復(fù)帶：氨較少，微量亞硝酸根離子，硝酸根離子逐漸增加清潔帶：氨和亞硝酸根離子濃度很低，有硝酸根離子過程：有機(jī)氮氨亞硝酸根硝酸根氮氣6. 持久污染物的稀釋擴(kuò)散持久性有機(jī)物 持久性物質(zhì)是指化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，難于降解轉(zhuǎn)化，在環(huán)境中不易消失，能長時間滯留的物質(zhì)，如，重金屬、陰離子等，符合這些條件的有機(jī)物，即持久性有機(jī)物（Persistent Organic Pollutants,簡稱POPs）。 斯德哥爾摩公約的

12、附件對持久性的規(guī)定是：在水中的半衰期大于2個月或在土壤中、水體沉積物中的半衰期大于6個月。式中：排放口下游河水的污染物濃度； W，qVw污水的污染物濃度和流量 h，qVh上游河水污染物濃度和流量。 例題: 某河水流量為0.225 m3/s,某持久性污染物A濃度為4.91mg/L,某廠排入河水的廢水量為536m3/d(0.006m3/s), 同一持久性污染物A的濃度為25mg/L。假設(shè)廢水與河水在廠排污口下游500米處達(dá)到完全混合，若此河段無其他廢水排入，試計算在下游500米處河水中污染物A的濃度。解： = （0.225 4.91+0.00625）/（0.225+0.006） = 5.43 mg

13、/L 式中： u河水流速； x初始點至下游x斷面處的距離； Mx縱向分散系數(shù)； K污染物分解速率常數(shù)； 0初始點的污染物濃度； x斷面處的污染物濃度。7、非持久性污染物的稀釋擴(kuò)散和降解8. 水體的氧平衡 需氧污染物排入水體后即發(fā)生生物化學(xué)分解作用，在分解過程中消耗水中的溶解氧。 在一維河流和不考慮擴(kuò)散的情況下，河流中的可生物降解有機(jī)物和溶解氧的變化可以用S-P(Streeter-Phelps)公式模擬。 S-P模型是研究河流中溶解氧變化的最早、最簡單的耦合模型。它迄今仍得到廣泛地應(yīng)用（環(huán)評），也是研究各種修正模型和復(fù)雜模型的基礎(chǔ)。 它假設(shè)：氧化和復(fù)氧都是一級反應(yīng)；反應(yīng)速率常數(shù)是一個定常數(shù)；虧氧

14、的濃度變化僅是水中有機(jī)物耗氧和通過氣-液界面的大氣復(fù)氧的函數(shù)。氧的消耗 運(yùn)算后得 或1.有機(jī)物的生物氧化2.硝化作用：水中存在氨，硝化作用會消耗溶解氧。3.水底沉泥的分解。4.水生植物的呼吸作用。5.無機(jī)還原性物質(zhì)的影響。虧氧量 水中氧飽和溶解度C與實際溶解氧含量X的差值 D= CX 復(fù)氧速度即空氣中的氧溶入水中的速度，與水中的虧氧量成正比。 復(fù)氧速度 虧氧量 d( D0- D )/dt = K2 式中 D 起點虧氧量(mg/L) t時刻水中的虧氧量(mg/L) K2 復(fù)氧常數(shù)（日-1） d D /dt = - K2D 計算后得 （ D / D0）= - K2 t D / D0 = e- K2

15、 t 或 lg ( D / D0) = - K2t D / D0 = 10-K2t 其中 K2 = 0.434K2 (復(fù)氧常數(shù))D/ 在 , , 的初值條件下求得上述微分方程的解為： D = D0 e- K2 tdD /dt =K1L - K2D式中： x和x=0處的河水BOD5 濃度，mg/L x和x=0處的河水虧氧濃度，mg/L x和x=0處的河水溶解氧濃度 ， mg/L 河水的飽和溶解氧濃度，mg/L； t 初始點至下游x斷面處的河水流行時 間，d，t=x/u K1 耗氧系數(shù) K2 復(fù)氧系數(shù) 二、污染物在不同水體中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律 a.河流 污染物在河流中的擴(kuò)散和分解受到河流的流量、流速、

16、水深等因素的影響。 b.河口 河流進(jìn)入海洋前的感潮河段。河口污染物的遷移轉(zhuǎn)化受潮汐影響，受漲潮、落潮、平潮時的水位、流向和流速的影響。會因水流不斷回蕩，延長停留時間，甚至影響排放口上流的河水。 c.湖泊、水庫 貯水量大，水流較慢，對污染物的稀釋、擴(kuò)散能力較弱。易在局部形成污染。水深超過一定深度時，會產(chǎn)生溫度分層。 d.海洋 巨大的自凈能力，但海灣或海域局部的納污和自凈能力差別很大。 e.地下水 污染是一個緩慢的過程，一旦污染難以恢復(fù)，污染物在地下水中的遷移轉(zhuǎn)化受多種因此影響。河北省豐寧滿族自治縣黃土梁水庫三、環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的分級分類與檢索1.環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)的分級分類 我國將環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)分為環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、污染物排放標(biāo)準(zhǔn)、環(huán)境方法標(biāo)準(zhǔn)、環(huán)境基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)、環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn) 及 環(huán)境其它標(biāo)準(zhǔn) 六類；國家級、地方級、行業(yè)級 三級。(2)污染物排放標(biāo)準(zhǔn) 污染物排放標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)環(huán)境質(zhì)量要求，結(jié)合環(huán)境特點和社會技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件，對污染源排入環(huán)境的有害物質(zhì)和產(chǎn)生的各種因素所做的控制。是國家根據(jù)技術(shù)上的可能性和經(jīng)濟(jì)上的合理性，規(guī)定污染源排放污染物的容許濃度或數(shù)量。它直接起到控制污染源的作用，是實現(xiàn)環(huán)境質(zhì)量目標(biāo)重要控